2025年，隨著新型電力系統建設目標的提出，水電等清潔能源在電力系統中的重要性日益凸顯。梯級水電站由於涉及多座水電站的協調運行，並需與風電、光伏等能源配合，在現貨市場的開放背景下，其調度運行經濟效益受到多因素影響。抽水蓄能憑藉其發電和抽水工況雙模式運行及快速功率調節性能，與梯級水電站聯合運行可以提升發電量並減少調峰市場分攤，從而提高綜合經濟效益。本文通過對梯級水電站與抽水蓄能聯合經濟調度策略的研究，探討了當前水電市場的發展現狀、面臨的挑戰以及未來的發展方向。
(一)提升發電量與經濟效益
《2025-2030年全球及中國水電行業市場現狀調研及發展前景分析報告》在新型電力系統中，梯級水電站面臨著風電、光伏等新能源接入帶來的挑戰。這些新能源的間歇性和波動性對梯級水電站的調度運行提出了更高要求。抽水蓄能電站憑藉其靈活的工況轉換能力和雙向調節性能，能夠有效提升梯級水電站的發電量。通過聯合運行，抽水蓄能電站可以在梯級水電站棄水時進行抽水儲能，在尖峰時段發電，從而減少棄水損失，提高整體經濟效益。研究表明，通過優化調度策略，梯級水電站與抽水蓄能電站的聯合運行可以顯著提升發電量，增加經濟效益。
(二)優化調峰市場分攤
水電市場情況分析提到調峰市場分攤是梯級水電站運行中的一個重要成本因素。在電力系統中，新能源的波動性導致負荷峰谷差增大，梯級水電站需要承擔更多的調峰任務。抽水蓄能電站通過在低谷時段抽水儲能，在尖峰時段發電，能夠有效減少梯級水電站在調峰市場中的分攤費用。這種聯合運行模式不僅提高了梯級水電站的經濟效益，還增強了電力系統的靈活性和穩定性。
(一)梯級水電站數學模型
梯級水電站的數學模型包括各級水電站的來水量、發電流量和棄水量。各級水電站的輸出功率可以通過以下公式計算： Pi(t)=9.81⋅Qi(t)⋅Hi(t)⋅η 其中，Pi(t) 為第 i 級水電站 t 時刻的有功功率，Qi(t) 為發電流量，Hi(t) 為工作水頭，η 為水電站的工作效率。各級水電站的水庫存水量和流量之間的關係可以通過水量平衡方程表示： Vi(t)=Vi(t−1)+qi(t)−Si(t)−Qi(t) 其中，Vi(t) 為第 i 級水電站 t 時刻的水庫存水量，qi(t) 為來水量，Si(t) 為棄水量。
(二)抽水蓄能電站數學模型
抽水蓄能電站的運行模式包括發電、抽水、發電調相、抽水調相、停機和旋轉備用。在發電工況下，輸出功率可以通過以下公式計算： Pr=0.8⋅H⋅ω−0.2⋅H2+0.12⋅ω2 在抽水工況下，輸出功率為： Ph=−a0⋅Hp2−a1⋅Hp−a2 其中，H 為水頭高度，ω 為轉速，Hp 為揚程，a0、a1、a2 為常數。
(一)目標函數
為了實現梯級水電站與抽水蓄能電站的聯合經濟運行，構建了多目標聯合調度模型，目標函數包括發電量最大化、現貨正向收益最大化、調峰市場分攤最小化和機組耗水率最小化。
發電量最大化：通過抽水蓄能電站的調節作用，減少梯級水電站的棄水損失，提升發電量。目標函數為： W1=E0+Ec 其中，E0 為常規情況下的發電量，Ec 為加入抽水蓄能後的提升發電量。
現貨正向收益最大化：考慮梯級水電站參與現貨市場的收益，目標函數為： W2=∑i=1N∑t=1TCi,t⋅Pi,t 其中，Ci,t 為水電站 i 在時段 t 的現貨市場價格，Pi,t 為參與現貨市場的電量。
調峰市場分攤最小化：通過抽水蓄能電站的調節，減少梯級水電站在調峰市場中的分攤費用，目標函數為： W3=min(F3,1+F3,2) 其中，F3,1 為其他電源的綜合出力波動，F3,2 為電網負荷的最大峰谷差。
機組耗水率最小化：通過優化機組耗水率，減少水資源消耗，目標函數為： W4=min(∑n=1K∑t=1TQn,k,t) 其中，Qn,k,t 為水電站 n 機組 k 在時段 t 的發電流量。
(二)約束條件
聯合經濟調度策略的約束條件包括調度始末邊界約束、節點電壓約束、水電出力分解約束、中長期合約電量分解約束、水量平衡約束和機組最小開停機時間約束。這些約束條件確保了梯級水電站與抽水蓄能電站在實際運行中的可行性和安全性。
(一)改進灰狼算法
為了求解梯級水電站與抽水蓄能電站的聯合經濟調度模型，採用改進的灰狼算法(LGWO)。該算法通過模擬灰狼群體的社會等級和狩獵行為，結合萊維飛行的隨機遊走特性，增強了全局搜索能力，同時保持了局部搜索的精度。改進的灰狼算法在求解多目標、強非線性、強耦合的優化問題時，能夠有效避免早熟收斂和陷入局部最優解的風險，加快收斂速度並提高解的精度。
(二)求解步驟
初始化參數：設置狼群數量、疊代次數、維數和搜索邊界。
初始化位置：根據梯級水電站、抽水蓄能電站和電網負荷峰谷差等運行參數，初始化狼群位置。
適應度計算：計算每個狼的適應度值，並進行排序，確定最優解、次優解和第三優解。
位置更新：根據灰狼算法的更新公式，結合萊維飛行特性，更新狼群位置。
貪婪搜索：通過貪婪搜索機制，保留適應度更高的位置。
圍攻獵物：更新最優解、次優解和第三優解的位置，圍攻獵物。
疊代終止：達到最大疊代次數後，輸出最優解。
(一)案例分析
以某梯級水電站為例，該梯級水電站包括A、B、C三座水電站，以及一座抽水蓄能電站。系統還包括風電、光伏和火電等其他電源。通過對比常規調度策略、忽略季節性波動影響、不考慮蓄水策略和僅考慮蓄水策略等四種方案，驗證本文提出的聯合經濟調度策略的有效性。
(二)結果分析
通過仿真驗證，本文提出的聯合經濟調度策略在全年經濟效益方面表現最優。具體結果如下：
方案1(常規調度策略)：全年經濟效益為11.87億元。
方案2(忽略季節性波動影響)：全年經濟效益為12.31億元。
方案3(不考慮蓄水策略)：全年經濟效益為11.71億元。
方案4(僅考慮蓄水策略)：全年經濟效益為12.19億元。
本文優化方案：全年經濟效益為12.44億元。
從結果可以看出，本文提出的聯合經濟調度策略通過協調抽水蓄能與梯級水電站的聯合運行，在多種運行場景下均展現出更好的經濟性和調節能力。
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